Impianti di trattamento delle acque reflue urbane: meno 31% dei consumi elettrici grazie alla tecnologia OSCAR®

L’Unione Europea si è posta l’obiettivo di migliorare le performance degli impianti di trattamento delle acque reflue urbane (WWTP) e a tale scopo il Consiglio Europeo si è riunito per discutere le modifiche da apportare alla direttiva 91/271/EEC (Direttiva Acque Reflue Urbane). Secondo l’ultima bozza presentata, tra le novità che verranno introdotte nella direttiva c’è quella di ridurre i consumi di energia elettrica degli impianti, con la conseguente riduzione delle emissioni di gas serra. L’UE intende fissare come obiettivo ultimo quello di neutralità energetica dei WWTP entro il 2045, ovvero gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane dovranno produrre energia da fonti rinnovabili, in base ad audit energetici periodici, con traguardi intermedi progressivi.

L’idea di abbattere le emissioni di gas serra a partire dalla riduzione del consumo elettrico dei WWTP è ragionevole per due motivi principali. Il primo è il fatto che l’energia elettrica totale consumata dai WWTP costituisce circa l’1% del consumo nazionale annuo, che in Italia ammonta a circa 3’250 GWh/y (Campanelli et al., 2013). Il secondo motivo è che oggigiorno è possibile ridurre in modo significativo, efficace e facilmente realizzabile i consumi elettrici grazie ai controllori di processo che automatizzano il funzionamento degli impianti. Questi sistemi, oltre ad aiutare nella gestione delle macchine, del processo e della qualità allo scarico, apportano numerosi vantaggi alle performance dell’impianto.

I WWTP sono costituiti da una filiera varia dove ciascuna unità operativa è adibita a un determinato trattamento ed è caratterizzata da determinati consumi energetici. L’unità della filiera più energivora è quella del trattamento biologico a fanghi attivi. Longo et al. ha definito un’incidenza media del comparto biologico sui consumi elettrici dei WWTP pari al 60%. Per quantificare la quantità di energia di un comparto biologico la letteratura suggerisce di usare l’indice kWh/kgCOD, rimosso. Grazie a questo indice è possibile confrontare in modo equo i consumi energetici di comparti biologici di impianti differenti. In un impianto con comparto biologico costituito da pre-denitrificazione seguito da nitrificazione e sedimentazione secondaria, i consumi energetici sono dovuti al sistema di miscelazione della vasca anossica, alle soffianti della vasca di ossidazione, all’eventuale sistema di miscelazione della vasca di ossidazione, alle pompe di ricircolo della miscela aerata e alle pompe di ricircolo del fango secondario. L’introduzione di un controllore di processo che automatizza il processo fa sì che si possa combinare pre-denitrificazione e nitrificazione all’interno di un’unica vasca grazie all’aerazione intermittente. Questa soluzione garantisce lo spegnimento dei vari sistemi di miscelazione, il funzionamento intermittente delle soffianti e la regolazione o spegnimento delle pompe di ricircolo della miscela aerata, con conseguente risparmio dei consumi elettrici.

In Tabella 1 sono riportati gli indici di letteratura dei consumi medi (kWh/kgCOD, rimosso) del comparto biologico di impianti con potenzialità tra 10’000 e 50’000 Abitante Equivalente (AE). L’analisi è stata fatta in questo range perché rappresenta la percentuale maggiore (circa il 30%) degli impianti in Italia e in Europa.

Oscar Sustainable Solutions da più di dieci anni sviluppa controllori di processo in grado di raggiungere gli obiettivi ambiziosi richiesti dall’Unione Europea. Il supporto ai nostri clienti avviene per mezzo della raccolta e la valorizzazione dei dati, la modellazione e l’analisi degli impianti e il monitoraggio delle performance prima e dopo l’installazione del controllore. Grazie alla decennale esperienza e ad un metodico modus operandi abbiamo a disposizione una ricca case history di impianti efficientati energeticamente. In Tabella 2 sono presentati i valori medi dei consumi energetici prima e dopo l’introduzione del controllore Oscar Aerazione Intermittente per impianti con potenzialità tra 10’000 e i 50’000 AE.

Grazie all’implementazione del controllore Oscar in media sono stati abbattuti i consumi elettrici legati al comparto biologico del 31%. La coerenza dei risultati della case history con i dati di letteratura riportati in Tabella 1 suggerisce che il controllore Oscar è il grado di garantire lo stesso abbattimento delle emissioni di CO2 stimato con i dati di letteratura.

L’automazione del comparto biologico non solo riduce i consumi energetici, ma garantisce un miglioramento della qualità dell’effluente. Tra le modifiche che l’Unione Europea intende apportare alla Direttiva Acque Reflue Urbane questo aspetto si ritrova in termini di riduzione dei limiti allo scarico per azoto totale e fosforo totale. Di nuovo quella che appare una sfida si trasforma in un obiettivo facilmente perseguibile. Infatti, l’implementazione dell’aerazione intermittente nel comparto biologico favorisce la rimozione biologica dell’azoto totale (in particolare l’azoto nitrico) e del fosforo totale: l’alternarsi di condizioni aerobiche e anossiche ottimizza le cinetiche delle specie biologiche adibite alla rimozione dei nutrienti. Inoltre, la presenza del controllore Oscar prevede l’installazione di sonde, analizzatori e strumenti per il monitoraggio che costituiscono un ulteriore mezzo di supporto al rispetto dei nuovi limiti allo scarico.  In conclusione, per quanto possano essere sfidanti i nuovi obiettivi della Direttiva Europea 97/271/EEC, essi sono raggiungibili attraverso strumenti affidabili ed efficaci e attraverso il supporto di un team esperto e competente, trasformandosi in un’utile opportunità per essere più sostenibili e per contribuire in modo attivo a una migliore qualità ambientale.

Campanelli, M., Foladori, P. & Vaccari, M., Analisi del consumo e del costo energetico nel servizio idrico integrato (Analysis of energy consumption and costs in water and wastewater services), 2013.

Foladori, P., Vaccari, M., Vitali, F., Energy audit in small wastewater treatment plants: methodology, energy consumption indicators, and lessons learned. Water Sci Technol 1 September 2015.

isprambiente.gov.it

Longo, S., d’Antoni. B. M., Bongards, M., Chaparro, A., Cronrath, A., Fatone, F., Lema, J. M., Mauricio-Iglesias, M., Soares, A., Hospido, A., Monitoring and diagnosis of energy consumption in wastewater treatment plants. A state of the art and proposals for improvement, Applied Energy, 2016.